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“工業(yè)以太網(wǎng)”未來發(fā)展的6大優(yōu)勢

2020-10-21
來源:騰訊

  優(yōu)勢 1 -冗余和可用性

  工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵設(shè)計元素是物理級的冗余,。在電纜或設(shè)備發(fā)生故障的情況下,,擁有第二或第三條鏈路進(jìn)行流量故障切換,,對于網(wǎng)絡(luò)來說至關(guān)重要,。即插即用的第2層非托管以太網(wǎng)交換機,,如果電纜未正確連接,,則可能會發(fā)生數(shù)據(jù)環(huán)路,,這可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓,。第2層托管交換機利用IEEE 802.1D生成樹協(xié)議(STP),,該協(xié)議允許對交換機進(jìn)行冗余連接,,以確保網(wǎng)絡(luò)的正常運行時間和可用性。

  生成樹的工作方式是,,給網(wǎng)絡(luò)中的一臺交換機分配一個待機模式的端口,,在該端口中,它不會發(fā)送或接收數(shù)據(jù),,直至網(wǎng)絡(luò)中的另一條鏈路發(fā)生斷路或中斷為止,。發(fā)生中斷時,交換機上的備用端口將變?yōu)榛顒訝顟B(tài),,允許流量在網(wǎng)絡(luò)上流動,。傳統(tǒng)生成樹協(xié)議(STP)的缺點在于,它可能需要60秒才能響應(yīng)電纜斷路或中斷引起的拓?fù)渥兓?。對于微秒計的關(guān)鍵過程或制造應(yīng)用來說,,這個時間太長了。

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  在上圖中,紅色的鏈接被設(shè)置為待機模式,,除非其中一個鏈接發(fā)生中斷或故障,,否則不會傳輸數(shù)據(jù)包。這表示基本的生成樹操作,,在該操作中無需創(chuàng)建數(shù)據(jù)循環(huán)即可實現(xiàn)鏈路冗余,。

  電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)在2001年推出了802.1w快速生成樹協(xié)議(RSTP)??焖偕蓸鋮f(xié)議(RSTP)在6秒內(nèi)(默認(rèn))具有明顯更快的拓?fù)渥兓瘷z測和恢復(fù),。盡管快速生成樹協(xié)議(RSTP)的恢復(fù)時間比生成樹協(xié)議(STP)好得多,但對于某些關(guān)鍵的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言,,恢復(fù)時間仍然太長,。

  許多工業(yè)以太網(wǎng)交換機制造商提供專有的快速振鈴技術(shù),可以在幾微秒內(nèi)解決振鈴中斷的問題,。其中包括EtherWAN系統(tǒng)的α-Ring技術(shù),,具有不到15毫秒的快速故障轉(zhuǎn)移恢復(fù)時間以及格雷特(GarrettCom)的S-Ring和赫思曼(Hirschmann)的HiPER Ring協(xié)議。

  此外,,當(dāng)今大多數(shù)工業(yè)交換機制造商都可以通過為交換機提供雙電源輸入來實現(xiàn)硬件冗余,。

  如果電源出現(xiàn)故障或發(fā)生其他電源中斷,交換機自動將故障轉(zhuǎn)移到備用電源,,從而保持網(wǎng)絡(luò)正常運行,。此外,工業(yè)以太網(wǎng)交換機的設(shè)計未使用冷卻風(fēng)扇或任何其他可能會由于過熱而發(fā)生故障并導(dǎo)致交換機停止工作的活動部件,。交換機通常使用一個大的散熱器來捕獲和散發(fā)熱量,。在某些情況下,交換機實際上作為散熱片使用,,具有冷卻作用,。

  通過利用快速生成樹協(xié)議(RSTP)或?qū)S械沫h(huán)形體系結(jié)構(gòu)以及固有的硬件冗余,可以實現(xiàn)99.999%的網(wǎng)絡(luò)正常運行時間,,這一直是每個網(wǎng)絡(luò)管理員的目標(biāo),。

  優(yōu)勢 2 -網(wǎng)絡(luò)管理

  與非托管交換機相比,托管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機具有許多優(yōu)勢,。托管型以太網(wǎng)交換機利用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP),,而SNMP可用于監(jiān)視和控制個人電腦網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)是基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議,,幾乎可以與每個托管型以太網(wǎng)設(shè)備一同使用,。

  通過動態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)服務(wù)器,可以多次為托管型交換機手動或自動地分配一個IP地址,。使用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP),,可以為網(wǎng)絡(luò)上具有IP地址的每個設(shè)備建立映射,。通常情況下,這些設(shè)備包括交換機,、路由器,、服務(wù)器、個人電腦,、打印機,,在工業(yè)領(lǐng)域中,包括啟用IP的閥門,、儀表和可編程邏輯控制器(PLC),。簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)允許您執(zhí)行以下操作,例如禁用交換機端口,,收集有關(guān)數(shù)據(jù)包進(jìn)出端口的統(tǒng)計信息,,在達(dá)到特定閾值或操作時設(shè)置警報等。

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  使用中央簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)管理站,,網(wǎng)絡(luò)管理員可以查看整個網(wǎng)絡(luò),、發(fā)現(xiàn)問題并立即解決這些問題,從而確保網(wǎng)絡(luò)的其余部分保持正常運行,。此外,,通過監(jiān)視網(wǎng)絡(luò),問題可以在問題發(fā)生之前實時得到解決,。

  現(xiàn)在,,許多供應(yīng)商都提供簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)管理軟件,例如遠(yuǎn)景網(wǎng)絡(luò)(Network Vision)的IntraVUE,、思科系統(tǒng)的思科設(shè)備管理器、赫思曼(Hirschmann)的HiVision和西門子的SINEMA服務(wù)器以及SNMP-OPC服務(wù)器,。

  優(yōu)勢 3 -安全性

  與當(dāng)今的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)一樣,,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也需要最高級別的安全性,以阻止網(wǎng)絡(luò)恐怖分子,、惡意員工和互聯(lián)網(wǎng)黑客訪問和破壞敏感,、往往是關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)操作。

  工業(yè)以太網(wǎng)交換機現(xiàn)在提供許多安全功能,,包括基于端口和基于VLAN的訪問控制列表(ACL),,其中網(wǎng)絡(luò)管理員可以定義允許哪些MAC或IP地址訪問交換機上的端口。

  此外,,如果MAC地址與過濾器中列出的地址相匹配,,MAC地址過濾功能將阻止轉(zhuǎn)發(fā)任何數(shù)據(jù)包。如前所述,,802.1Q VLAN還提供一個安全層,,因為只有VLAN中的節(jié)點才能相互通信。在某些情況下,當(dāng)必須共享某些資源時,,可以使用重疊的VLAN,。

  在某些工業(yè)以太網(wǎng)交換機中發(fā)現(xiàn)的另一個安全功能是802.1X,它是電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)的端口級網(wǎng)絡(luò)訪問控制(NAC)標(biāo)準(zhǔn),。802.1X定義了以太網(wǎng)上可擴展的身份驗證協(xié)議(EAP)的封裝,。主機或請求方使用身份驗證協(xié)議(EAP)向身份驗證器(通常是以太網(wǎng)交換機)發(fā)送請求。之后,,身份驗證器封裝EAP數(shù)據(jù)包,,并將其發(fā)送到運行遠(yuǎn)程驗證訪問撥入用戶服務(wù)(RADIUS)的身份驗證服務(wù)器。

  遠(yuǎn)程驗證訪問撥入用戶服務(wù)(RADIUS)是一種協(xié)議,,它提供了一種對試圖訪問網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點進(jìn)行集中身份驗證,、授權(quán)和解釋的方法。

  身份驗證服務(wù)器不直接與請求方聯(lián)系,,只將信息傳遞回具有高安全級別的身份驗證器,。身份驗證服務(wù)器將基于預(yù)定義的訪問規(guī)則,拒絕或授予用戶進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的請求,。

  通過利用上述一個或多個安全選項,,可以確保只有指定的用戶才能訪問您的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵資源。

  優(yōu)勢 4 -可擴展性

  通過利用交換式以太網(wǎng)的對等連接模型以及子網(wǎng)或VLAN之間的第2層VLAN和第3層路由,,以太網(wǎng)已被證明是一種極度可擴展的技術(shù),。即使將更多節(jié)點添加到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),也可以通過使用多播管理協(xié)議對用戶組(VLAN)進(jìn)行分段,,為某些數(shù)據(jù)包分配優(yōu)先級并進(jìn)行路由來避免擁塞和流量問題,。

  此外,更高帶寬的以太網(wǎng)技術(shù),,例如千兆位和10千兆位以太網(wǎng),,有助于緩解在服務(wù)器和路由器等高使用率設(shè)備之間使用網(wǎng)絡(luò)時的網(wǎng)絡(luò)擁塞和網(wǎng)絡(luò)速度降低的問題。

  優(yōu)勢 5 -與傳統(tǒng)系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)集成

  由于以太網(wǎng)在開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型的第2層上運行,,因此它嚴(yán)格地處理數(shù)據(jù)包的尋址,、傳遞和錯誤控制。以太網(wǎng)幀中包含的消息由更高級別的第3層和第4層協(xié)議控制,。當(dāng)今,,以太網(wǎng)中最常用的通信協(xié)議是傳輸控制協(xié)議/ 網(wǎng)際協(xié)議或TCP/IP。

  TCP/IP數(shù)據(jù)包的優(yōu)點是可以將其他協(xié)議封裝在TCP/IP數(shù)據(jù)包中,。例如,,已在自動機網(wǎng)絡(luò)中使用多年的Modbus網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)在可使用TCP/IP封裝與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)集成,。通過使用以太網(wǎng)到Modbus網(wǎng)關(guān),,可以保護您對舊系統(tǒng)的投資,,同時向網(wǎng)絡(luò)中添加新的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備。

  將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是允許傳統(tǒng)上基于以太網(wǎng)的業(yè)務(wù)和運營網(wǎng)絡(luò)訪問流程或制造網(wǎng)絡(luò),,以收集業(yè)務(wù)計劃中使用的關(guān)鍵數(shù)據(jù),,例如生產(chǎn)率、浪費,、材料使用和生產(chǎn)能力,。

  優(yōu)勢 6 -物理差異

  工業(yè)以太網(wǎng)硬件能夠經(jīng)受制造、流程應(yīng)用和工廠自動化中的惡劣環(huán)境,。

  工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備必須能夠承受電磁干擾/射頻干擾,、沖擊、振動,、灰塵,、水以及化學(xué)和氣體的暴露。另外,,由于這些設(shè)備用在無法容忍任何停機時間冗余功能的網(wǎng)絡(luò)中,,例如經(jīng)常使用雙電源連接。一些交換機利用干接點來設(shè)置各種警報,,以警告操作員發(fā)生故障,。這些功能通常無法在商業(yè)級設(shè)備上找到。工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備不使用風(fēng)扇進(jìn)行冷卻或者其他可能會發(fā)生故障的移動部件,,并且降低了設(shè)備的平均故障間隔時間(MTBF),。該設(shè)備外殼經(jīng)常用作散熱器,以消散運行期間產(chǎn)生的熱量,。

  當(dāng)用于爆炸性環(huán)境(如煉油廠應(yīng)用)時,,某些交換機可提供用于爆炸性環(huán)境的UL Class 1 Div 2等級。Class 1 Div 2標(biāo)識確保不會有火花從設(shè)備散發(fā)到外部大氣,。

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  許多工業(yè)交換機制造商都提供了特殊的保形涂層,,該涂層可應(yīng)用于設(shè)備的整個印制電路板(PCB)。保形涂料用于非常潮濕的環(huán)境和溫度波動的環(huán)境,。涂層可防止水分進(jìn)入印制電路板(PCB),導(dǎo)致短路或設(shè)備故障,。

  工業(yè)額定設(shè)備中的另一個功能是極限工作溫度范圍,。由于工業(yè)以太網(wǎng)交換機、轉(zhuǎn)換器和路由器通常位于不受控制的環(huán)境中,,因此它們必須能夠承受極高和極低的溫度,。在設(shè)計工業(yè)額定設(shè)備時,與商用設(shè)備相比,,使用了更堅固的組件,,從而提供了更高的平均故障間隔時間(MTBF)和更寬的工作溫度,。

  由于上述原因,工業(yè)額定通信設(shè)備的成本通常比同類商業(yè)產(chǎn)品更高,。通過將冗余功能與高質(zhì)量組件相結(jié)合,,工業(yè)額定設(shè)備能夠承受最極端的環(huán)境,從而實現(xiàn)工廠內(nèi)外的無縫通信,。

  左圖詳細(xì)介紹了用作設(shè)備散熱器的工業(yè)以太網(wǎng)交換機的情況,。右圖顯示了雙電源輸入,以及在電源故障時用于連接可視或音頻警報設(shè)備的干接點,。

  以太網(wǎng)作為一種辦公室/商業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),,已經(jīng)在世界各地的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。通過利用VLAN,、優(yōu)先級隊列,、快速生成樹和簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)網(wǎng)絡(luò)管理等以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)變得更加安全,、強大和易于管理,。

  此外,以太網(wǎng)作為一種開放的標(biāo)準(zhǔn),,得到了數(shù)百家設(shè)備制造商的支持,,實現(xiàn)了不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的互操作性以及具有競爭力的價格。利用以太網(wǎng)還可以通過使用以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備橋接兩個網(wǎng)絡(luò),,將其集成到Modbus等現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)中,,從而確保對傳統(tǒng)技術(shù)投資的保護。

  具有如此眾多的好處和優(yōu)勢,,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)將一直發(fā)展下去,。


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